实际中,我们能轻易制备的态只有相干态和热态,而 Fock\text{Fock} 态的制备十分困难,现在我们介绍一种比较容易制备的态:压缩态(squeezed state\text{squeezed state})。

正交变量

在相干态中,我们定义了两个正交变量 X^\hat{X} 和 Y^\hat{Y}(YY 就相当于动量 PP):

X^:=12(a^+a^†)Y^:=12i(a^−a^†)\hat{X}:=\frac{1}{2}(\hat{a}+\hat{a}^\dagger)\qquad\hat{Y}:=\frac{1}{2i}(\hat{a}-\hat{a}^\dagger)

他们的平均值具有以下特点:

⟨α∣X^∣α⟩=12(α+α∗)=Reα⟨α∣Y^∣α⟩=Imα\langle\alpha|\hat{X}|\alpha\rangle=\frac{1}{2}(\alpha+\alpha^*)=\mathrm{Re}\alpha\quad\langle\alpha|\hat{Y}|\alpha\rangle=\mathrm{Im}\alpha

而且他们的方差均为 14\frac{1}{4}:

⟨δX^2⟩=14⟨α∣(a^+a^†)(a^+a^†)∣α⟩−14(α+α∗)2=14=⟨δY^⟩2\begin{aligned} \langle\delta\hat{X}^{2}\rangle & =\frac{1}{4}\langle\alpha|(\hat{a}+\hat{a}^{\dagger})(\hat{a}+\hat{a}^{\dagger})|\alpha\rangle-\frac{1}{4}(\alpha+\alpha^{*})^{2} =\frac{1}{4}=\langle\delta\hat{Y}\rangle^{2} \end{aligned}

那么得到相干态的图像

相干态

严格来讲,上图将相干态画成圆形是不准确的,因为我们还没考虑到任意方向的涨落,所以我们定义任意方向的正交变量:

X^ϕ:=12(a^e−iϕ+a^†eiϕ)Y^ϕ:=12i(a^e−iϕ−a^†eiϕ)\hat{X}_{\phi}:=\frac{1}{2}(\hat{a}e^{-i\phi}+\hat{a}^{\dagger}e^{i\phi}) \qquad\hat{Y}_{\phi}:=\frac{1}{2i}(\hat{a}e^{-i\phi}-\hat{a}^{\dagger}e^{i\phi})

将两个正交变量用于复平面中,那么相当于对最原始的变量 X^\hat{X} 和 Y^\hat{Y} 进行了旋转:

X^ϕ+iY^ϕ=a^e−iϕ=(X^+iY^)e−iϕ\hat{X}_\phi+i\hat{Y}_\phi=\hat{a}e^{-i\phi}=(\hat{X}+i\hat{Y})e^{-i\phi}

这样我们就可以计算任意方向的涨落值,可以证明任意方向的涨落值都是相同的。

压缩态的方差

我们定义一个压缩算符:

S^ξ:=exp⁡[12ξ∗a^2−12ξ(a^†)2]\hat{S}_\xi:=\exp\left[\frac{1}{2}\xi^*\hat{a}^2-\frac{1}{2}\xi(\hat{a}^\dagger)^2\right]

其中 ξ≡reiθ,r>0\xi\equiv re^{i\theta},\quad r>0,再定义压缩相干态:将 Fock\text{Fock} 态进行压缩变换后再平移

∣α,ξ⟩:=D^αS^ξ∣0⟩|\alpha,\xi\rangle:=\hat{D}_\alpha\hat{S}_\xi|0\rangle

利用 BCH\text{BCH} 公式,可以得到下两式,我们将会用到

S^ξa^S^ξ†=a^cosh⁡r+a^†eiθsinh⁡rS^ξ†a^S^ξ=a^cosh⁡r−a^†eiθsinh⁡r\hat{S}_\xi\hat{a}\hat{S}_\xi^\dagger=\hat{a}\cosh r+\hat{a}^\dagger e^{i\theta}\sinh r \\[1em] \hat{S}_\xi^\dagger\hat{a}\hat{S}_\xi=\hat{a}\cosh r-\hat{a}^\dagger e^{i\theta}\sinh r

对 α^\hat{\alpha} 求态 ∣α,ξ⟩|\alpha,\xi\rangle 下的平均值

⟨α,ξ∣a^∣α,ξ⟩=⟨0∣S^ξ†D^α†a^D^αS^ξ∣0⟩=⟨0∣S^ξ†(a^+α)S^ξ∣0⟩=α\langle\alpha,\xi|\hat{a}|\alpha,\xi\rangle= \langle0|\hat{S}_\xi^\dagger\hat{D}_\alpha^\dagger\hat{a}\hat{D}_\alpha\hat{S}_\xi|0\rangle =\langle0|\hat{S}_\xi^\dagger(\hat{a}+\alpha)\hat{S}_\xi|0\rangle=\alpha

对 a^†a^^\hat{\hat{a}^\dagger \hat{a}} 求态 ∣α,ξ⟩|\alpha,\xi\rangle 下的平均值

⟨α,ξ∣a^†a^∣α,ξ⟩=⟨0∣(α∗+a^†cosh⁡r−a^e−iθsinh⁡r)(α+a^cosh⁡r−a^†eiθsinh⁡r)∣0⟩=∣α∣2+sinh⁡2r\begin{aligned} \langle\alpha,\xi|\hat{a}^{\dagger}\hat{a}|\alpha,\xi\rangle & =\langle0|\left(\alpha^{*}+\hat{a}^{\dagger}\cosh r-\hat{a}e^{-i\theta}\sinh r\right)\left(\alpha+\hat{a}\cosh r-\hat{a}^{\dagger}e^{i\theta}\sinh r\right)|0\rangle \\ & =|\alpha|^{2}+\sinh^{2}r \end{aligned}

求 α^2\hat{\alpha}^2 在态 ∣α,ξ⟩|\alpha,\xi\rangle 下的平均值

⟨α,ξ∣a^2∣α,ξ⟩=α2−eiθsinh⁡rcosh⁡r\langle\alpha,\xi|\hat{a}^2|\alpha,\xi\rangle=\alpha^2-e^{i\theta}\sinh r\cosh r

利用上三式,可以计算出 X^\hat{X} 和 Y^\hat{Y} 在压缩相干态下的涨落

⟨δX^2⟩=14⟨(a^+a^†)2⟩−⟨X^⟩2=14(cosh⁡2r−sinh⁡2rcos⁡θ)⟨δY^2⟩=14⟨(a^−a^†)2⟩−⟨Y^⟩2=14(cosh⁡2r+sinh⁡2rcos⁡θ)\begin{aligned} \langle\delta\hat{X}^{2}\rangle & =\frac{1}{4}\langle(\hat{a}+\hat{a}^{\dagger})^{2}\rangle-\langle\hat{X}\rangle^{2} =\frac{1}{4}(\cosh2r-\sinh2r\cos\theta) \\ \langle\delta\hat{Y}^{2}\rangle & =\frac{1}{4}\langle(\hat{a}-\hat{a}^{\dagger})^{2}\rangle-\langle\hat{Y}\rangle^{2} =\frac{1}{4}(\cosh2r+\sinh2r\cos\theta) \end{aligned}

可以看到,压缩态在某个方向的涨落小于相干态 14\frac{1}{4},而在垂直方向的涨落大于相干态 14\frac{1}{4}。且 θ\theta 是短轴和 X 轴的夹角,决定了压缩的方向;rr 决定了压缩的程度,如图

压缩方式

我们取涨落值的两个极限情况

θ=0:⟨δX^2⟩=14e−2r⟨δY^2⟩=14e2rθ=π:⟨δX^2⟩=14e2r⟨δY^2⟩=14e−2r\theta=0{:}\quad\langle\delta\hat{X}^2\rangle=\frac{1}{4}e^{-2r}\quad\langle\delta\hat{Y}^2\rangle=\frac{1}{4}e^{2r} \\[1em] \theta=\pi{:}\quad\langle\delta\hat{X}^2\rangle=\frac{1}{4}e^{2r}\quad\langle\delta\hat{Y}^2\rangle=\frac{1}{4}e^{-2r}

那么压缩态的图像如下

压缩态的图像

当 θ\theta 从 00 取到 π\pi 时,就相当于将压缩图像自转了 90∘90^\circ。


新定义 b^:=a^e−iθ2\hat{b}:=\hat{a}e^{-i\frac{\theta}{2}},那么压缩算符可以写成

S^ξ′=exp⁡[12rb^2−12rb^†2]\hat{S}_{\xi^{\prime}}=\exp{[\frac{1}{2}r\hat{b}^2-\frac{1}{2}r\hat{b}^{\dagger2}]}

正交变量变为

X^′=12(b^+b^†)=12(a^e−iθ2+a^†eiθ2)Y^′=12i(b^−b^†)=12i(a^e−iθ2−a^†eiθ2)\begin{aligned} \hat{X}^{\prime}&=\frac{1}{2}(\hat{b}+\hat{b}^\dagger)=\frac{1}{2}(\hat{a}e^{-i\frac{\theta}{2}}+\hat{a}^\dagger e^{i\frac{\theta}{2}}) \\[1em] \hat{Y}^{\prime}&=\frac{1}{2i}(\hat{b}-\hat{b}^\dagger)=\frac{1}{2i}(\hat{a}e^{-i\frac{\theta}{2}}-\hat{a}^\dagger e^{i\frac{\theta}{2}}) \end{aligned}

得到旋转关系

X^′+iY^′=a^⋅e−iθ2=(X^+iY^)e−iθ2\hat{X}^{\prime}+i\hat{Y}^{\prime}=\hat{a}\cdot e^{-i\frac{\theta}{2}}=(\hat{X}+i\hat{Y})e^{-i\frac{\theta}{2}}

当 θ=π\theta=\pi 时,得到和 ϕ=π2\phi=\frac{\pi}{2} 时的正交变量一致,因此压缩态的短轴方向对应 ϕ=θ2\phi=\frac{\theta}{2} 方向。

X^θ=π′=12i(a^−a^†)=X^ϕ=π2Y^θ=π′=−12(a^+a^†)=Y^ϕ=π2\hat{X}_{\theta=\pi}^{\prime}=\frac{1}{2i}(\hat{a}-\hat{a}^{\dagger})=\hat{X}_{\phi=\frac{\pi}{2}}\\[1em] \hat{Y}_{\theta=\pi}^{\prime}=-\frac{1}{2}(\hat{a}+\hat{a}^{\dagger})=\hat{Y}_{\phi=\frac{\pi}{2}}

根据涨落的表达式,压缩的程度与 rr 有关,定义压缩强度

D:=10lg⁡⟨δX^ϕ2⟩max⁡⟨δX^ϕ2⟩0=20rln⁡10[dB]≃8.69r[dB]D:=10\lg\frac{\langle\delta\hat{X}_\phi^2\rangle_{\max}}{\langle\delta\hat{X}_\phi^2\rangle_0}=\frac{20r}{\ln10}\left[\mathrm{dB}\right]\quad\simeq8.69r\left[\mathrm{dB}\right]

其中 ⟨δX^ϕ2⟩0\langle\delta\hat{X}_\phi^2\rangle_{0} 是相干态的涨落值 14\frac{1}{4}。

压缩态的时间演化

压缩态的时间演化为

e−iH^t∣α,ξ⟩=UtD^αUt†⋅UtS^ξUt†⋅Ut∣0⟩=D^[αe−iωt]S^[ξe−2iωt]∣0⟩=∣αe−iωt,ξe−2iωt⟩\begin{aligned} e^{-i\hat{H}t}|\alpha,\xi\rangle & =U_t\hat{D}_\alpha U_t^\dagger\cdot U_t\hat{S}_\xi U_t^\dagger\cdot U_t|0\rangle \\[1em] &= \hat{D}_{[\alpha e^{-i\omega t}]}\hat{S}_{[\xi e^{-2i\omega t}]} |0\rangle \\[1em] & =|\alpha e^{-i\omega t},\xi e^{-2i\omega t}\rangle \end{aligned}

当 θ\theta 分别取两种极限值时,压缩态的时间演化也就分别对应幅度压缩和相位压缩

压缩态的演化

在 t=0t=0 时刻,当 θ=0\theta=0 时,压缩态的短轴方向始终与 XX 轴平行,对应幅度压缩;当 θ=π\theta=\pi 时,压缩态的短轴方向始终与 YY 轴平行,对应相位压缩。∣αe−iωt⟩\ket{\alpha e^{-i\omega t}} 表示压缩相干态的质心在复平面上以角速度 ω\omega 绕原点做公转运动;而 ∣ξe−2iωt⟩\ket{\xi e^{-2i\omega t}} 则表示压缩相干态的短轴方向以角速度 ω\omega 绕质心做自转运动。幅度压缩的短轴方向始终沿径向,而相位压缩的短轴方向始终沿切线方向。

同拍测量和压缩光的产生

同拍测量

同拍测量是将待测光场与一个强相干态光场(本地振荡场)在一个 50:50\text{50:50} 的分束器上进行干涉,然后测量输出端口的光强是否有涨落。假设待测光场为 a^\hat{a},激光为 ∣β⟩|\beta\rangle,输出端口为 c^\hat{c},则有

c^=12(a^+ib^)\hat{c}=\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{a}+i\hat{b})

上式中,ii 表示激光被反射后产生的半波损失。我们计算输出端口的光强平均值

⟨c^†c^⟩=12⟨(a^†−iβ∗)(a^+iβ)⟩=∣β∣2+⟨a^†a^⟩+12⟨iβa^†−iβ∗a^⟩\begin{aligned} \langle\hat{c}^{\dagger}\hat{c}\rangle & =\frac{1}{2}\langle(\hat{a}^\dagger-i\beta^*)(\hat{a}+i\beta)\rangle \\ & =|\beta|^{2}+\langle\hat{a}^{\dagger}\hat{a}\rangle+\frac{1}{2}\langle i\beta\hat{a}^{\dagger}-i\beta^{*}\hat{a}\rangle \end{aligned}

将最后一项与正交变量对比

X^ϕ:=12(a^e−iϕ+a^†eiϕ)\hat{X}_\phi:=\frac{1}{2}(\hat{a}e^{-i\phi}+\hat{a}^\dagger e^{i\phi})

我们可以调节 β\beta 使得最后一项成为正交变量的形式,若探测器测得有光强涨落,则说明待测光场为非经典光

压缩光的产生

压缩光可以通过非线性光学效应产生。我们都知道,若是拿一根带电小棒靠近水流,水流会发生弯曲,同时水流产生了极化:

P⃗(t)=ε0χE⃗(t)\vec{P}(t)=\varepsilon_{0}\chi\vec{E}(t)

我们在电磁学中学到,极化 P⃗\vec{P} 与电场 E⃗\vec{E} 成线性关系,但实际上,极化 P⃗\vec{P} 与电场 E⃗\vec{E} 之间还有高阶项

P⃗=ε0[χ(1)E⃗+χ(2)E⃗2+χ(3)E⃗3+…]\vec{P}=\varepsilon_{0}[\chi^{(1)}\vec{E}+\chi^{(2)}\vec{E}^{2}+\chi^{(3)}\vec{E}^{3}+\ldots]

在一些晶体中,高阶项并不为零,比如双折射就是由非线性项引起的。压缩光可以通过参量过程(入射和出射光总能量相等,但是光子数和频率会发生变化)产生。用到的非线性过程有两种:二阶项 χ(2)E↔\chi^{(2)}\overleftrightarrow E 的参量下转换(PDC\text{PDC})和χ(3)E3\chi^{(3)} E^3四波混频(FWM\text{FWM})。

高斯积分

我们常需要用到以下积分

∫−∞∞dxe−ax2=π/a∫−∞∞dxe−ax2+bx=πaeb2/4a\int_{-\infty}^\infty dxe^{-ax^2}=\sqrt{\pi/a}\qquad\qquad \int_{-\infty}^\infty dxe^{-ax^2+bx}=\sqrt{\frac{\pi}{a}}e^{b^2/4a}

对于复变量 z=x+iyz=x+iy(其中 dz2=dxdydz^2=dxdy),我们有

∫d2ze−a∣z∣2=π/a∫d2ze−a∣z∣2+λ∗z−λz∗=πae−∣λ∣2/a\int d^2ze^{-a|z|^2}=\pi/a\qquad\qquad \int d^2ze^{-a|z|^2+\lambda^*z-\lambda z^*}=\frac{\pi}{a}e^{-|\lambda|^2/a}

对于多元变量 X=(x1,x2,…,xn)T\bm{X}=(x_1,x_2,\ldots,x_n)^T,设有对称矩阵 AA,则有

∫dnXexp⁡[−XT⋅A⋅X]=πndet⁡A∫dnXexp⁡[−XT⋅A⋅X+BT⋅X]=πndet⁡Aexp⁡[14BT⋅A−1⋅B]\int d^nX\exp\left[-X^T\cdot\mathbf{A}\cdot X\right]=\sqrt{\frac{\pi^n}{\det\mathbf{A}}} \\[1em] \int d^nX\exp\left[-X^T\cdot\mathbf{A}\cdot X+B^T\cdot X\right]=\sqrt{\frac{\pi^n}{\det\mathbf{A}}}\exp\left[\frac{1}{4}B^T\cdot\mathbf{A}^{-1}\cdot B\right]

第二式中的 A\mathbf{A} 需为正定矩阵。


相干态 ∣α0⟩\ket{\alpha_0} 下的对称序为

χS(λ)=e−12∣λ∣2+λα0∗−λ∗α0\chi_{\mathrm{S}}(\lambda)=e^{-\frac{1}{2}|\lambda|^{2}+\lambda\alpha_{0}^{*}-\lambda^{*}\alpha_{0}}

利用高斯积分,可以计算出相干态的 Wigner\text{Wigner} 函数

W(β)=1π2∫d2λχS(λ)e−λβ∗+λ∗β=1π2∫d2λexp⁡[−12∣λ∣2+λ(α0∗−β∗)−λ∗(α0−β)]=2πexp⁡(−2∣β−α0∣2)\begin{aligned} W(\beta) & =\frac{1}{\pi^{2}}\int d^{2}\lambda\chi_{\mathrm{S}}(\lambda)e^{-\lambda\beta^{*}+\lambda^{*}\beta} \\ & =\frac{1}{\pi^2}\int d^2\lambda\exp\left[-\frac{1}{2}|\lambda|^2+\lambda(\alpha_0^*-\beta^*)-\lambda^*(\alpha_0-\beta)\right] \\ & =\frac{2}{\pi}\exp{(-2|\beta-\alpha_0|^2)} \end{aligned}

压缩态的 Wigner 函数

压缩相干态的对称序为

χS(λ)=⟨α,ξ∣eλa^†−λ∗a^∣α,ξ⟩\chi_\mathrm{S}(\lambda)=\langle\alpha,\xi|e^{\lambda\hat{a}^\dagger-\lambda^*\hat{a}}|\alpha,\xi\rangle

展开计算得到

⟨0∣S^ξ†D^α†eλa^†−λ∗a^D^αS^ξ∣0⟩=⟨0∣eλ⌊a^†cosh⁡r−a^e−iθsinh⁡r⌋−h.c.∣0⟩eλα∗−λ∗α=e−12∣λcosh⁡r+λ∗eiθsinh⁡r∣2eλα∗−λ∗α\begin{aligned} \langle0|\hat{S}_{\xi}^{\dagger}\hat{D}_{\alpha}^{\dagger}e^{\lambda\hat{a}^{\dagger}-\lambda^{*}\hat{a}}\hat{D}_{\alpha}\hat{S}_{\xi}|0\rangle & =\langle0|e^{\lambda\left\lfloor\hat{a}^{\dagger}\cosh r-\hat{a}e^{-i\theta}\sinh r\right\rfloor-\mathbf{h}.\mathbf{c}.}|0\rangle e^{\lambda\alpha^{*}-\lambda^{*}\alpha} \\ & =e^{-\frac{1}{2}|\lambda\cosh r+\lambda^{*}e^{i\theta}\sinh r|^{2}}e^{\lambda\alpha^{*}-\lambda^{*}\alpha} \end{aligned}

利用高斯积分,可以计算出压缩相干态的 Wigner\text{Wigner} 函数,取 α=0\alpha=0

W∣0,ξ⟩(β)=1π2∫d2λχS(λ)e−λβ∗+λ∗β=2πexp⁡[−2∣βcosh⁡r+β∗e−iθsinh⁡r∣2]\begin{aligned} W_{|0,\xi\rangle}(\beta) & =\frac{1}{\pi^{2}}\int d^{2}\lambda\chi_{\mathrm{S}}(\lambda)e^{-\lambda\beta^{*}+\lambda^{*}\beta} \\ & =\frac{2}{\pi}\exp\left[-2|\beta\cosh r+\beta^*e^{-i\theta}\sinh r|^2\right] \end{aligned}

可以看到压缩态的 Wigner\text{Wigner} 是一个高斯波包。我们再取 θ=0\theta=0,则有

→θ=0exp⁡[−βx212e−2r−βy212e2r]\xrightarrow{\theta=0}\exp\left[-\frac{\beta_x^2}{\frac{1}{2}e^{-2r}}-\frac{\beta_y^2}{\frac{1}{2}e^{2r}}\right]

可以看到,压缩态的 Wigner\text{Wigner} 函数是一个椭圆,高斯分布在 βx\beta_x 方向被压缩,在 βy\beta_y 方向被拉伸,如图

压缩态的Wigner函数

压缩态的 P 函数

压缩相干态的正规序特征函数为

χN(λ)=⟨α,ξ∣eλa^†e−λ∗a^∣α,ξ⟩=e12∣λ∣2χS(λ)=exp⁡[12∣λ∣2−12∣λcosh⁡r+λ∗eiθsinh⁡r∣2]eλα∗−λ∗α=exp⁡{−14(λ∗,λ)⋅[cosh⁡2r−1eiθsinh⁡2re−iθsinh⁡2rcosh⁡2r−1]⋅[λλ∗]}eλα∗−λ∗α]\begin{aligned} \chi_\mathrm{N}(\lambda)&=\langle\alpha,\xi|e^{\lambda\hat{a}^\dagger}e^{-\lambda^*\hat{a}}|\alpha,\xi\rangle=e^{\frac{1}{2}|\lambda|^2}\chi_\mathrm{S}(\lambda) \\[1em] & =\exp\left[\frac{1}{2}|\lambda|^{2}-\frac{1}{2}|\lambda\cosh r+\lambda^{*}e^{i\theta}\sinh r|^{2}\right]e^{\lambda\alpha^{*}-\lambda^{*}\alpha} \\[1em] & \left.=\exp\left\{-\frac{1}{4}(\lambda^{*},\lambda)\cdot\left[ \begin{array} {cc}\cosh2r-1 & e^{i\theta}\sinh2r \\[1em] e^{-i\theta}\sinh2r & \cosh2r-1 \end{array}\right]\cdot\left[ \begin{array} {c}\lambda \\ \lambda^{*} \end{array}\right]\right\}e^{\lambda\alpha^{*}-\lambda^{*}\alpha}\right] \end{aligned}

计算压缩相干态的 P\text{P} 函数

P∣α,ξ⟩(β)=1π2∫d2λχN(λ)e−λβ∗+λ∗βP_{|\alpha,\xi\rangle}(\beta)=\frac{1}{\pi^2}\int d^2\lambda\chi_{\mathrm{N}}(\lambda)e^{-\lambda\beta^*+\lambda^*\beta}

但是,这个积分无法用高斯积分计算出来,因为矩阵 A\mathbf{A} 不是正定的,所以压缩态的 P\text{P} 函数是发散的,说明压缩态是非经典态。常规手段是无法计算的,我们需要用到一些特殊技巧,最后得到

P(β)=exp⁡[qx4∂βy2]δ(βy)⋅exp⁡[qy4∂βx2]δ(βx)=exp⁡[qx4∂βy2+qy4∂βx2]δ2(β)\begin{aligned} P(\beta) & =\exp\left[\frac{q_{x}}{4}\partial_{\beta_{y}}^{2}\right]\delta(\beta_{y})\cdot\exp\left[\frac{q_{y}}{4}\partial_{\beta_{x}}^{2}\right]\delta(\beta_{x})=\exp\left[\frac{q_{x}}{4}\partial_{\beta_{y}}^{2}+\frac{q_{y}}{4}\partial_{\beta_{x}}^{2}\right]\delta^{2}(\beta) \end{aligned}

利用该表达式,可以计算正规序的期望值

⟨a^†na^n⟩=∫d2β∣β∣2nP(β)=∫d2β∣β∣2nD^δ(2)(β)=D^(βx2+βy2)n∣β→0\langle\hat{a}^{\dagger n}\hat{a}^{n}\rangle=\int d^{2}\beta\left|\beta\right|^{2n}P(\beta)=\int d^{2}\beta\left|\beta\right|^{2n}\hat{\mathcal{D}}\delta^{(2)}(\beta)\quad=\hat{\mathcal{D}}(\beta_{x}^{2}+\beta_{y}^{2})^{n}|_{\beta\to0}

其中 D^\hat{\mathcal{D}} 为 P\text{P} 函数,例如以下两式

⟨a^†a^⟩=2(qx4+qy4)=e2r+e−2r−24=sinh⁡2r⟨a^2⟩=D^β2∣β→0=2(qy4−qx4)=−sinh⁡2r\langle\hat{a}^{\dagger}\hat{a}\rangle=2(\frac{q_{x}}{4}+\frac{q_{y}}{4})=\frac{e^{2r}+e^{-2r}-2}{4}=\sinh^{2}r \\[1em] \langle\hat{a}^{2}\rangle=\hat{\mathcal{D}}\beta^{2}|_{\beta\to0}=2(\frac{q_{y}}{4}-\frac{q_{x}}{4})=-\sinh2r

这确实和我们之前计算方法得出的结果是一致的。

压缩态光子数统计

将压缩态展开在 Fock\text{Fock} 态基底上

∣ξ⟩=∑n=0∞Cn∣n⟩|\xi\rangle=\sum_{n=0}^{\infty}C_{n}|n\rangle

那么有

a^∣0⟩=0⇒S^ξa^S^ξ†⋅S^ξ∣0⟩=0⇒⟨n∣(a^cosh⁡r+a^†eiθsinh⁡r)∣ξ⟩=0\hat{a}|0\rangle=0\quad\Rightarrow\quad\hat{S}_\xi\hat{a}\hat{S}_\xi^\dagger\cdot\hat{S}_\xi|0\rangle=0\quad\Rightarrow\quad\langle n|(\hat{a}\cosh r+\hat{a}^\dagger e^{i\theta}\sinh r)|\xi\rangle=0

⇒n+1Cn+1cosh⁡r+nCn−1eiθsinh⁡r=0\Rightarrow\quad\sqrt{n+1}C_{n+1}\cosh r+\sqrt{n}C_{n-1}e^{i\theta}\sinh r=0

根据上述关系,得到压缩后的 Fock\text{Fock} 态为

∣0,ξ⟩=1cosh⁡r∑m=0∞(2m)!m!(−eiθ2tanh⁡r)m∣2m⟩|0,\xi\rangle=\frac{1}{\sqrt{\cosh r}}\sum_{m=0}^{\infty}\frac{\sqrt{(2m)!}}{m!}(-\frac{e^{i\theta}}{2}\tanh r)^m|2m\rangle

根据 Pn=∣⟨n∣α,ξ⟩∣2P_n=\left|\langle n|\alpha,\xi\rangle\right|^2 得到每个态的光子数分布

P2m=(2m)!(m!)2(tanh⁡r)2m22mcosh⁡rP2m+1=0P_{2m}=\frac{(2m)!}{(m!)^2}\frac{(\tanh r)^{2m}}{2^{2m}\cosh r} \\[1em] P_{2m+1}=0

可以看到,压缩态中只有偶数光子数分布,奇数光子数分布为零。且光子数分布与 θ\theta 无关,说明压缩方向不影响光子数分布。


再计算一下平移压缩态的光子数分布

⟨n∣α,ξ⟩=exp⁡[−12∣α∣2−12α∗2eiθtanh⁡r]cosh⁡r⋅[12eiθtanh⁡r]n2n!Hn[αcosh⁡r+α∗eiθsinh⁡reiθsinh⁡2r]\langle n|\alpha,\xi\rangle=\frac{\exp[-\frac{1}{2}|\alpha|^2-\frac{1}{2}\alpha^{*2}e^{i\theta}\tanh r]}{\sqrt{\cosh r}}\cdot\frac{[\frac{1}{2}e^{i\theta}\tanh r]^{\frac{n}{2}}}{\sqrt{n!}}H_n[\frac{\alpha\cosh r+\alpha^*e^{i\theta}\sinh r}{\sqrt{e^{i\theta}\sinh2r}}]

此时,光子数分布与 θ\theta 有关。在平均光子数 ⟨n^⟩=∣α∣2+sinh⁡2r\langle\hat{n}\rangle=|\alpha|^2+\sinh^2r 相同的情况下,α\alpha 越小,平移压缩态的光子数分布就越接近纯压缩态的光子数分布。

当 ∣α∣∼sinh⁡r|\alpha| \sim \sinh r 时,我们可以画出平移压缩态的光子数分布,绿色曲线代表幅度压缩,蓝色曲线代表相位压缩,红色曲线代表相干态,如下图所示:

平移压缩态的光子数分布1

当 ∣α∣≫sinh⁡r|\alpha| \gg \sinh r 时,平移压缩态的光子数分布如下图所示:

平移压缩态的光子数分布2

我们分别对幅度压缩和相位压缩计算光子数分布的方差

幅度压缩:⟨δn^2⟩=∣α∣2e−2r+12sinh⁡2(2r)≃⟨n^⟩e−2r相位压缩:⟨δn^2⟩=∣α∣2e2r+12sinh⁡2(2r)≃⟨n^⟩e2r\begin{aligned} \text{幅度压缩:}\quad\langle\delta\hat{n}^2\rangle & =|\alpha|^2e^{-2r}+\frac{1}{2}\sinh^2(2r)\simeq\langle\hat{n}\rangle e^{-2r} \\[1em] \text{相位压缩:}\quad\langle\delta\hat{n}^2\rangle & =|\alpha|^2e^{2r}+\frac{1}{2}\sinh^2(2r)\simeq\langle\hat{n}\rangle e^{2r} \end{aligned}

这样我们就可以分辨出第二幅图中的三条曲线

泊松: ⟨δn2⟩=⟨n⟩亚泊松: ⟨δn2⟩<⟨n⟩超泊松: ⟨δn2⟩>⟨n⟩\begin{aligned} \text{泊松: }\langle \delta n^{2} \rangle = \langle n \rangle \\[1em] \text{亚泊松: }\langle \delta n^{2} \rangle < \langle n \rangle \\[1em] \text{超泊松: }\langle \delta n^{2} \rangle > \langle n \rangle \\[1em] \end{aligned}


我们通过 PP 函数的性质来判断态的经典性:(1)非负性;(2)奇异性不超过 δ\delta 函数。若一个态对应亚泊松分布,则说明该态是非经典态;若一个态对应超泊松分布,则无法判断,这个结论是由 P\text{P} 函数的非负性得到的,我们知道经典态的 P\text{P} 函数是正定的,而非经典态的 P\text{P} 函数含有负数部分,那么计算亚泊松分布的方差:

⟨δn^2⟩=⟨n^2⟩−⟨n^⟩2=⟨n^⟩+[⟨a^†2a^2⟩−⟨a^†a^⟩2]=⟨n^⟩+∫d2αP(α)∣α∣4−2⟨a^†a^⟩⟨a^†a^⟩+⟨a^†a^⟩2=⟨n^⟩+∫d2αP(α)[∣α∣2−⟨a^†a^⟩]2<⟨n^⟩\begin{aligned} \langle\delta\hat{n}^{2}\rangle & =\langle\hat{n}^{2}\rangle-\langle\hat{n}\rangle^{2}=\langle\hat{n}\rangle+\left[\langle\hat{a}^{\dagger2}\hat{a}^{2}\rangle-\langle\hat{a}^{\dagger}\hat{a}\rangle^{2}\right] \\ & =\langle\hat{n}\rangle+\int d^2\alpha P(\alpha)|\alpha|^4-2\langle\hat{a}^\dagger\hat{a}\rangle\langle\hat{a}^\dagger\hat{a}\rangle+\langle\hat{a}^\dagger\hat{a}\rangle^2 \\ & =\langle\hat{n}\rangle+\int d^2\alpha P(\alpha)\left[|\alpha|^2-\langle\hat{a}^\dagger\hat{a}\rangle\right]^2 <\braket{\hat{n}} \end{aligned}

所以,若方差小于平均值,则说明 P\text{P} 函数中存在负数部分,该态为非经典态。而超泊松可以由泊松分布线性组合得到。


相干态和热态都是经典态,Fock\text{Fock} 态、平移态以及猫态都是非经典态。经典态的几个充分条件:

  1. 除相干态以外的所有纯态
  2. W(α)W\left(\alpha\right) 含有负值
  3. Q(α)Q\left(\alpha\right) 含有负值或零值